纤维增强聚合物公路桥梁的维护和无损检测方法

杨青杰

摘要：纤维增强聚合物材料（FRP）作为一种新型结构形式，因其轻质、高强、耐腐蚀、环境友好等优点在高速公路、铁路和城市高架公路中得到了大量应用，但在长时间的静动力荷载作用下，其破坏现象难以避免。因此，本项目拟通过对 FRP路面梁桥的养护与非破坏试验，对其各自的优势与不足进行系统地研究，以期为高速铁路中 FRP路面病害的治理与监测工作奠定基础。

关键词：纤维增强聚合物；公路桥梁；维护方法；无损检测方法

纤维加强复合材料（简称 FRP）是将玻璃纤维、碳纤维和芳纶等纤维与基材通过缠绕、模压或拉挤出等方法制成的复合材料。纤维增强塑料在航空航天，电动汽车，高速铁路，机器人等领域有着重要的用途。目前， FRP制备技术已经获得长足发展，尤其是采用拉挤成型制备出具有耐紫外线、耐化学侵蚀、耐冻融、耐干湿循环、耐高温高湿等多种恶劣条件的 FRP材料，在工程建设中具有广阔的应用前景。

一、FRP公路桥梁的结构维护

（一）防晒和防水性能

经过长时间的日照，纤维增强塑料材料的外观质量将发生变化。另外，受降雨冲刷后，水分可通过纤维/树脂间的微小间隙渗入，使其与基体间的粘结力减弱，使其老化，降低其机械性能。所以， FRP公路大桥在潮湿、高温条件下，必须对其进行涂层防护，并对其进行定期检测，以减缓其腐蚀速率。

（二）对表层破损的修补

由于 FRP构件的树脂层薄性，在碰撞、撞击和摩擦等作用下，易出现树脂剥离、深度擦伤和纤维外露等破坏现象。所以，对纤维增强复合材料构件的表层进行定期检测，并对其进行及时的修补是十分重要的。否则，降雨将渗透到孔隙中，引起孔隙的扩张，加快物质的破坏。此外， FRP构件（如栏杆、人行道、灯具等）在使用过程中易产生撞击，需要加装防撞设备对其进行防护。FRP梁桥的部分病害可以采用纤维布法或树脂法进行修补，具体方法为：①将破损处疏松的树脂及纤维除去，再进行清洗、烘干；②按织物的外形大小对其进行裁切；③对其进行复配；④对其进行涂层处理。

（三）消防安全防范

FRP是一种热固化材料，能在较高温度或较高温度下发生玻璃化转变。其玻璃化将导致材料性质劣变，对桥梁的稳定性构成威胁。为此，必须对桥梁及其周边的易燃物进行清除，以确保安全。

（四）剥离与裂缝修补

FRP层与 FRP构件以及 FRP构件与混凝土的粘结性能因其内部的应力集中以及粘结层的老化，易产生剥离或剥离，从而影响其整体性能。FRP材料脆性大，易产生螺栓孔、型材角部裂缝等缺陷。在材质上产生裂缝后，破坏将由裂缝部位开始恶化和扩展。所以，需要对其分层、剥离、应力集中部位进行定期检测，并对其进行修复。

二、FRP公路桥梁的无损检测

（一）目测法

目测法是最简便、用途最广的一种。视觉检验与几种简易的仪器如手电筒，直尺，镜子相组合，可以快速地发现桥梁的损伤。视觉检测方法的不足在于仅对被测材料的表层损伤进行探测，无法对其进行定量表征，更无法发现其内部的缺陷。所以，对于肉眼观察到的裂缝，分层，变色，空洞和变形，都要用精密的检测手段。

（二）敲击法

测试人员使用硬币、榔头或电子锤片对纤维增强塑料的表层进行敲打，通过对声波的辨别，可以发现脱层和空洞。巡查员也可以通过拉动桥上的锁链，通过改变声波来确定是否有可能发生地震。采用敲击振动与视觉检测相结合的方式，能够较好地辨识出 FRP加固梁桥的绝大多数损坏。通过观察和锤击试验，可以很好地判断 FRP与混凝土的结合情况。

（三）热成像法

利用红外热像仪检测 FRP构件内部存在的缺陷，对材料内部的热量传输产生了一定的影响。试验时，在桥面板的一面放置加热源，用红外热像仪对其进行测温。按不同的温度条件，对分层、脱粘、撞击损伤、吸水和穿孔等缺陷进行了分析。热像可以分为天然或人造两种。被动式红外热像仪的加热源为自发温，只能实现对红外图像的定量探测，并能通过探测红外图像中的反常温度来发现可能存在的缺陷。目前，主动式热像中的热源多来源于外部，分布较为均匀[10]。剥离、裂纹、冲击破坏和积水等缺陷均会对其热学性质产生一定的影响。与有缺陷的部位相比，无缺陷部位的热传导效果更好。热量的吸收和反射会形成一种能用热像仪观测到的温度梯度。利用非对称加热能产生的温度梯度，需要将其置于能够产生均匀受热的表面。

在纤维增强复合材料构件的损伤识别中，通常采用红外光谱技术。室内测试与野外测试均证明了该方法在 FRP增强水泥混凝土结构及 FRP桥梁结构中的应用价值。本研究亦可应用于拉挤成型、安装及使用期间之品质检验。需要指出的是，对于厚度更大的纤维增强复合材料，热像技术不适用。

（四）音频信号

声发射技术是一种基于声波的非破坏性测试技术，其基本思想是利用声波在载荷过程中发生迅速的能量释放，从而在试件内部形成一种应力波。应力波由声波来源发出，并由放置于物质表面的感测器所纪录。压电换能器是一种常用的探测声波的方法。在应力波传播至换能器后，晶体因受压而发出一个输出讯号。如果该信号的强度超过设置门限值，则将其作为脉冲来记录。在 FRP材料中，由基体开裂，纤维剥离，剥离，纤维拔出以及纤维的破坏等引起的。光纤破裂后，其所发出的声波会发出很大的能量，这是因为其所发出的声音具有很高的信号强度。而由基质裂纹及纤维基材料剥离引起的 AE讯号则比较微弱。结果表明： AE的峰值具有很大的延时性和中等的强度。该测试装置主要包括：压电式传感器，耦合剂，多路信号采集装置，高综合的分析与数据获取程序。一些 AE讯号是虚假的，所以判定讯号的真伪十分重要。由于机械摩擦，泄漏，流体流动，振动等多种因素导致了虚假信号的出现。另外，由于轴承打滑，往往会引起虚假的信号。

三、结语

在实际工程中， FRP加固高速公路梁桥经常发生结构损伤。对于肉眼检验，振动，拖链等方法，具有较好的装备和较高的专业技术要求。当采用热成像，声发射或原位载荷试验时，就要求专用而昂贵的试验仪器，而且还要求较高的技术能力。两种不同的处理方式可以组合使用。首先，通过视觉检测、敲击振动、拖曳等简易检测手段，识别出可能存在的隐患；其次，通过热成像、声发射及加载试验等手段，研究不同类型的混凝土结构的破坏模式及破坏范围。FRP作为一种新型的结构构件，其在抗震加固、混凝土结构加固、金属梁、木结构维修和文物保护等方面发挥着关键作用。本项目以 FRP高速公路梁桥为研究对象，通过对其进行无损监测，并利用该仪器制作工艺及成本低廉等特点，对其进行快速、准确的监测。

FRP路面结构的维修与维修是当前国内外学术界研究的热点。目前，尽管已有大量的相关研究工作，但对其适用情况的研究较少，尤其对其特点（如跨径、高度）、用途（如跨海、跨铁路、跨街）、周围环境（如温湿度等）等都有较大的限制。在此基础上，开展 FRP筋混凝土梁桥建设中的检验，对比分析多种测试手段的精度，建立基于深度学习的 FRP筋混凝土构件损伤识别模型，为开展 FRP筋混凝土构件的智能化监测奠定基础。

参考文献

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